Il reattore chimico, cuore pulsante dell’ingegneria chimica

Il cuore di un processo chimico è, generalmente, il reattore, che va scelto e progettato con particolare attenzione. Il reattore chimico è, infatti, l’operazione unitaria nella quale vengono introdotte materie prime e si ottengono i prodotti di interesse e secondari se le reazioni in esame ne presentano. Esistono differenti tipologie di reattori. Andiamo ad analizzare le principali.

Reattore batch

Un reattore batch, o discontinuo, è un reattore usato in test di laboratorio oppure in processi industriali e l’unica differenza tra i due casi è il volume di reagenti contenuto. I reagenti vengono alimentati, miscelati e riscaldati (laddove necessario) e a reazione avvenuta si recuperano i prodotti. Il principale svantaggio legato al reattore batch, per applicazioni industriali, è il tempo morto legato alle fasi di pulizia e ricarica reagenti. Per questo motivo le sezioni di reazione degli impianti sono composte di batterie di reattori in parallelo tra di loro. Spesso, reattori del genere, sono utilizzati in impianti farmaceutici in cui è necessario produrre differenti formulazioni e in quantità non elevate e questo tipo di reattore offre la flessibilità necessaria.

Reattori continui

Tipologie diverse di reattori continui sono:

Reattori tubolari

Un esempio di reattore continuo è il reattore tubolare. I reagenti, in fase fluida, vengono alimentati ad elevata velocità. I reagenti sono infatti, generalmente, alimentati in regime turbolento e il regime di moto determina un profilo di velocità piatto. Per questo motivo questi reattori tubolari vengono detti anche plug flow reactor (PFR). In questo modo il trasporto convettivo è prevalente rispetto al termine di trasporto diffusivo così da limitare fenomeni di retrodiffusione dei prodotti di reazione. I reattori tubolari permettono elevate produttività e lunghi cicli di produzione senza shutdown. Una applicazione pratica di reattori tubolari è legata ai processi di steam cracking.

Reattori a letto fisso

Un reattore a letto fisso è un reattore nel quale una fase gas reagente viene a contatto con un catalizzatore in fase solida. Il catalizzatore può essere caricato in pellet di forma cilindrica, sferica o casuale. La dimensione media varia tra 0.20 cm e 1 cm. La presenza di un riempimento serve ad aumentare l’area superficiale attiva del catalizzatore. Un esempio di applicazione di questo tipo di reattore è il processo Haber, col quale si produce ammoniaca. Una variante più complessa del reattore a letto fisso è il reattore a letto mobile. In questo caso il solido circola in un loop chiuso attraverso il quale viene recuperato dal fondo del reattore e ricircolato dall’alto.

 

Reattori a letto fluido

In un reattore a letto fluido il catalizzatore solido è presente in distribuzione granulometrica tale per cui il passaggio di gas determina il suo trascinamento. Generalmente la dimensione media delle particelle è dell’ordine dei 100-300 micron. Il solido quindi fluidizza e questo determina un miglioramento delle proprietà di miscelamento tra catalizzatore e reagente. Il trasferimento di calore, ad esempio, risulta essere più efficiente e il profilo di temperatura nel reattore più uniforme. Un esempio di applicazione di reattore del genere è il processo di produzione del cloruro di vinile, alla base della produzione di PVC.

Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

Un reattore CSTR è un recipiente miscelato. In ogni punto del reattore la miscela ha la stessa concentrazione che è uguale alla concentrazione della fase in uscita dal reattore stesso (condizioni di idealità). Reattori di questo tipo vengono utilizzati per la produzione di polimeri come polietilene (PE) e polipropilene (PP) oppure nelle applicazioni per il trattamento di acque reflue.

 

Design di un reattore

Per progettare un reattore è necessario rispondere a due “semplici” domande:

• Quali sono le reazioni che possono avvenire (termodinamica)?
• Con quale velocità (cinetica)?

L’analisi termodinamica fornisce sempre due quantità fondamentali ai fini del design di un reattore. Il primo è la quantità di calore, prodotto o assorbito, e il secondo è il massimo grado di avanzamento raggiungibile dalla reazione.

L’analisi cinetica invece definisce le variabili influenzano la velocità di reazione, cioè la quantità di prodotto ottenibile, nell’unità di tempo.